蘇錫常土地利用變化模擬

蘇錫常土地利用變化模擬：年月日摘要隨著城市化進程的不斷發(fā)展，有限的土地資源與人類不斷增長的經(jīng)濟建設(shè)需求之間的矛盾日益加劇，土地利用過程中產(chǎn)生的一系列諸如耕地破壞、水土流失、生態(tài)破壞等問題逐漸引起人們的關(guān)注。蘇錫常作為我國東部長江三角洲區(qū)域城市化發(fā)展較快的地區(qū)之一，其發(fā)展過程中土地之間的競爭以及人地之間的矛盾關(guān)系逐漸加重，其耕地和城市化建設(shè)用地之間的矛盾尤為突出，城市化發(fā)展占用了當?shù)鼐薮蟮母刭Y源，城市發(fā)展初期一味地追求快速發(fā)展，大力推進城市化和工業(yè)的發(fā)展，致使很多閑置土地的產(chǎn)生，占用了有限的土地資源。研究土地利用在空間上的變化、對土地利用變化進行動態(tài)監(jiān)測、根據(jù)土地利用變化過程和發(fā)展趨勢對未來時期的土地利用進行預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果對土地進行宏觀調(diào)控和管理，使土地發(fā)展實現(xiàn)可持續(xù)性，成了當下土地利用研究需要考慮的重要問題。本文根據(jù)獲取到的蘇錫常歷史時期的土地利用數(shù)據(jù)及各類因子數(shù)據(jù)，使用FLUS模型對2025年的土地利用狀況進行預(yù)測。本文主要研究內(nèi)容如下:（1）根據(jù)1995年、2005年、2015年三期土地利用數(shù)據(jù)對蘇錫常的土地利用演變進行分析；（2）使用FLUS模型對該地區(qū)2025年土地利用數(shù)據(jù)進行預(yù)測，對預(yù)測結(jié)果進行分析；（3）模擬2015年土地利用情況,并將其與2015年實際現(xiàn)狀圖對比進行精度驗證。研究結(jié)果如下：（1）1995年到2015年期間，蘇錫常土地利用變化比較劇烈，其主要特征是，隨著城市化的不斷發(fā)展，大量耕地減少，城鎮(zhèn)建設(shè)用地大量增加；（2）從2025年的土地利用預(yù)測結(jié)果來看，隨著城市化繼續(xù)向前推進，城鎮(zhèn)建設(shè)用地會繼續(xù)大幅增加，大量耕地面積會被占用。水域，林地面積有所減少，另外草地面積有所增加。（3）kappa精度為0.92，表明獲取到的土地利用預(yù)測數(shù)據(jù)可信程度很高。關(guān)鍵字：蘇錫常；土地利用變化；土地利用模擬AbstractWiththecontinuousdevelopmentofurbanization,thecontradictionbetweenlimitedlandresourcesandthegrowingdemandforeconomicconstructionofhumanbeingshasintensified.Aseriesofproblemssuchasarablelanddestruction,soilerosion,andecologicaldamagehavegraduallycausedpeopleintheprocessoflanduse’sconcern.AsoneoftheregionswithrapidurbanizationdevelopmentintheYangtzeRiverDeltaregionofeasternChina,SuXichanghasgraduallyincreasedthecompetitionbetweenlandandthecontradictionbetweenhumanandland.Thecontradictionbetweencultivatedlandandurbanizationconstructionlandisparticularlyprominent.Urbanizationhastakenupahugeamountofcultivatedlandresourcesinthelocalarea.Atthebeginningofurbandevelopment,wepursuedrapiddevelopmentandvigorouslypromotedthedevelopmentofurbanizationandindustry,resultingintheproductionofmanyidlelandandoccupyinglimitedlandresources.Studyingthespatialchangeoflanduse,dynamicallymonitoringlandusechange,predictinglanduseinfutureperiodsaccordingtolandusechangeprocessanddevelopmenttrend,andthencarryingoutmacro-controlandmanagementoflandaccordingtoforecastresultstorealizelanddevelopmentSustainabilityhasbecomeanimportantissuetobeconsideredincurrentlanduseresearch.BasedontheobtainedlandusedataandvariousfactordataofSuXichanghistoricalperiod,thispaperusestheFLUSmodeltopredictthelandusestatusin2025.Themaincontentsofthispaperareasfollows:(1)Accordingtothelandusedataof1995,2005and2015,thelanduseevolutionofSuXichangisanalyzed;(2)Thelandusedataoftheregionin2025ispredictedbyusingtheFLUSmodel.Thepredictionresultsareanalyzed;(3)Simulatethelandusesituationin2015andcompareitwiththe2015actualstatusmapforaccuracyverification.Theresultsareasfollows:(1)From1995to2015,thelandusechangeofSuXichangwassevere.Themainfeatureisthatwiththecontinuousdevelopmentofurbanization,alargeamountofcultivatedlandisreduced,andurbanconstructionlandisgreatlyincreased;(2)Accordingtotheresultsoflanduseforecastingin2025,asurbanizationcontinuestoadvance,urbanconstructionlandwillcontinuetoincreasesubstantially,andalargeamountofcultivatedlandwillbeoccupied.Inthewaters,theareaofforestlandhasdecreased,andtheareaofgrasslandhasincreased.(3)Thekappaaccuracyis0.92,indicatingthattheacquiredlandusepredictiondataishighlyreliable.Keyword:SuXichang;landusechange;landusesimulation目錄12437_WPSOffice_Level1第一章緒論 728203_WPSOffice_Level21.1研究背景 725805_WPSOffice_Level21.2土地利用變化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 77399_WPSOffice_Level31.2.1國外研究進展 725092_WPSOffice_Level31.2.2國內(nèi)研究進展 817948_WPSOffice_Level1第二章研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源 919576_WPSOffice_Level22.1自然地理概況 924768_WPSOffice_Level22.2社會經(jīng)濟環(huán)境概況 932558_WPSOffice_Level22.3數(shù)據(jù)來源及介紹 102485_WPSOffice_Level1第三章研究內(nèi)容與研究方法 1228895_WPSOffice_Level23.1研究內(nèi)容 1216020_WPSOffice_Level23.2研究方法 1217805_WPSOffice_Level33.2.1FLUS模型介紹 1213128_WPSOffice_Level33.2.2FLUS模型工作原理 1310574_WPSOffice_Level1第四章土地利用演變分析和土地利用模擬 1429701_WPSOffice_Level24.1土地利用演變分析 142924_WPSOffice_Level24.2模擬過程 17531_WPSOffice_Level24.3鄰域參數(shù)及成本矩陣的設(shè)定 1717759_WPSOffice_Level24.4模擬結(jié)果 18475_WPSOffice_Level1第五章結(jié)果與討論 2011058_WPSOffice_Level25.1結(jié)論 2011499_WPSOffice_Level25.2對蘇錫常地區(qū)土地利用的建議 214531_WPSOffice_Level25.3不足與展望 2115345_WPSOffice_Level35.3.1研究的不足之處 2112321_WPSOffice_Level35.3.2研究展望 2117604_WPSOffice_Level1致謝 225493_WPSOffice_Level1參考文獻 22第一章緒論1.1研究背景土地作為一種重要的生產(chǎn)資料和資源，在城市化與現(xiàn)代化不斷發(fā)展的進程中，起著非常重要的作用REF_Ref14763\w\h[1]。土地能給人類帶來巨大的經(jīng)濟效益，是人類賴以生存的基礎(chǔ)REF_Ref30031\w\h[3]。土地利用反映了人類與自然的相互作用關(guān)系，土地利用變化是人類在發(fā)展的過程中隨著自身認知水平的提高，通過改變土地利用方式來獲取更大的經(jīng)濟效益或者改善人類發(fā)展進程中造成的環(huán)境問題REF_Ref30704\w\h[4]；或是自然狀態(tài)下的土地利用方式更迭、變化REF_Ref30785\w\h[13]。土地利用變化的研究隸屬于全球環(huán)境變化REF_Ref30173\w\h[5]，1995年國際地圈與生物圈計劃（IGBP）和全球環(huán)境變化的人文因素計劃（IHDP）共同擬定并發(fā)表了《土地利用/土地覆蓋變化科學(xué)研究計劃》，并將其列為核心項目之一REF_Ref30245\w\h[26]。接著在全球各個國家開展了一系列的土地利用變化（LUCC）研究。土地利用變化與全球的社會發(fā)展、經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境變化息息相關(guān)REF_Ref30363\w\h[7]。九十年代以后，土地利用變化就成了全球環(huán)境變化中一個關(guān)鍵領(lǐng)域REF_Ref30412\w\h[8]。近年來，社會的發(fā)展趨于工業(yè)化、城市化和現(xiàn)代化，但是在社會高速發(fā)展給人類帶來巨大經(jīng)濟效益和更高的生活質(zhì)量的同時也帶來了很多環(huán)境問題，比如土地退化、大氣污染、耕地缺失、水體污染等REF_Ref30487\w\h[9]。所以尋找并采取更加合理的土地利用方式，對于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的影響，這也使得人們越來越重視土地利用方面的研究。蘇錫常位于我國東部長江中下游地區(qū)，城市化進程發(fā)展迅速，隨著經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，土地利用方式也呈現(xiàn)多樣性的趨勢，城市有限的土地與不斷增長的建設(shè)需求之間的矛盾日益嚴重REF_Ref30542\w\h[10]，對于土地利用方面的研究就顯得尤為重要，如何在土地資源有限的前提下充分合理的使用土地資源、協(xié)調(diào)人地關(guān)系，使其給城市帶來更大的經(jīng)濟效益，使土地利用達到可持續(xù)發(fā)展是蘇錫常在城市化進程中需要考慮的一個關(guān)鍵問題REF_Ref30647\w\h[11]。1.2土地利用變化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究進展隨著在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)的環(huán)境污染導(dǎo)致的環(huán)境惡化以及資源利用過度不合理導(dǎo)致的資源短缺問題，這些問題直接或間接地影響了人類的生活與發(fā)展，與環(huán)境相關(guān)的問題逐漸受到人類的重視。土地作為自然資源的一種，與人類的生活息息相關(guān)REF_Ref30712\w\h[12]。1995年國際地圈與生物圈計劃（IGBP）和全球環(huán)境變化的人文因素計劃（IHDP）共同擬定并發(fā)表了《土地利用/土地覆蓋變化科學(xué)研究計劃》，并將其列為核心項目之一REF_Ref30785\w\h[13]。該計劃指出三個重要研究方向：土地利用變化、土地利用覆蓋變化、區(qū)域和全球模型研究REF_Ref30827\w\h[14]。從研究部分地區(qū)土地利用/土地覆被變化在時空上的特征規(guī)律和環(huán)境效應(yīng)，預(yù)測未來土地利用變化趨勢逐漸到與氣候變化等結(jié)合起來研究全球環(huán)境變化。元胞自動機是所有模型中最主要的、最基礎(chǔ)的、應(yīng)用最為廣泛的一個模型REF_Ref30944\w\h[15]，最早應(yīng)用于土地變化領(lǐng)域是在20世紀70年代被W.R.Tobler用來模擬底特律的城市增長問題，80年代H.Couclelis在理論上對CA進行研究，奠定了CA模型在眾多模型中的重要地位REF_Ref31898\w\h[16]，90年代之后CA模型逐漸被應(yīng)用到模擬土地利用變化中去，主要是針對城市發(fā)展方面進行研究。21世紀以來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)也不斷發(fā)展走向成REF_Ref32195\w\h[17]，越來越多、越來越專業(yè)化更高分辨率的遙感衛(wèi)星升空，加上3S技術(shù)的不斷發(fā)展改進逐漸走向成熟，使我們能夠隨時隨地很容易地獲取高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，對于土地利用方面的研究也得到了深化，逐漸集中到應(yīng)用RS、GIS技術(shù)對土地利用變化在時空范疇進行動態(tài)監(jiān)測和評估預(yù)測以及分析土地利用在不同驅(qū)動力的影響下的變化REF_Ref32326\w\h[18]。土地利用/土地覆被的研究已經(jīng)逐漸發(fā)展到研究不同尺度上的變化，以此來解決人地關(guān)系問題。土地利用變化的研究已經(jīng)成為全球環(huán)境變化研究的主要方向之一，并將持續(xù)作為全球環(huán)境變化研究的重要領(lǐng)域REF_Ref32388\w\h[19]。1.2.2國內(nèi)研究進展國內(nèi)對于土地利用/土地覆被方面的研究起步較晚REF_Ref32440\w\h[20]。20世紀90年代之后逐漸有人開始嘗試構(gòu)建模型進行模擬，周成虎等人使用地理元胞自動機模型模擬城市土地利用的動態(tài)變化REF_Ref2408\w\h[21]。在經(jīng)濟快速發(fā)展，一味地追求高經(jīng)濟、高水平高質(zhì)量生活，導(dǎo)致城市化進程迅速發(fā)展的過程中忽略了產(chǎn)生的負面的環(huán)境效應(yīng)，出現(xiàn)了很多諸如生態(tài)環(huán)境破壞、耕地破壞等的環(huán)境問題，這些變得越來越嚴重的環(huán)境問題才引發(fā)了人們對于環(huán)境問題的關(guān)注。對于土地利用/土地覆被變化方面的研究在可持續(xù)發(fā)展觀念被提出之后就更加被人們所重視，人們對于土地利用變化更多的關(guān)注，使得出現(xiàn)了跟多的土地利用變化模擬的模型，更多的影響因子也被考慮到土地變化中區(qū)，使得出現(xiàn)的模型更加科學(xué)客觀合理化。研究更加合理的模型，把更多的相關(guān)因子考慮在內(nèi)也是土地利用變化方面的研究需要考慮的一個問題。傳統(tǒng)的CA模型僅僅考慮從非城市用地到城市用的的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)實情況下的很多變化并未考慮在內(nèi)，因此在模擬的過程中可能會產(chǎn)生很大的誤差。但是由CA模型改進后的很多模型可以有效地解決這些問題。很多模型都是根據(jù)CA模型改編得到的。譬如小尺度土地利用變化及效應(yīng)模型、地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)、未來土地利用變化情景模擬模型等，都是在整合驅(qū)動力因素、變化規(guī)則、變化強度等因子的基礎(chǔ)上結(jié)合元胞理論，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)過程對各土地類型的變化量或總量進行合理分配，進而實現(xiàn)對設(shè)定情景的模擬REF_Ref2859\w\h[22]。本文用到的FLUS模型就是在傳統(tǒng)的CA模型和Markov模型上做了改進得到的，用來模擬在自然因子跟人文因子共同影響下，即自然狀態(tài)下和在人類活動的影響下的土地利用變化并且對將來的土地利用變化趨勢進行模擬預(yù)測REF_Ref3186\w\h[23]，且FLUS模型操作起來也比較簡單，模擬精度高。研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源2.1自然地理概況蘇錫常位于北緯30°47′～32°04′，東經(jīng)119°08′～121°20′之間。位于江蘇省南部，包括蘇州、無錫、常州三市，三市圍繞著太湖，在長江三角洲流域。蘇錫常三市連接成片，構(gòu)成蘇錫常都市圈。研究區(qū)域整體地勢比較低平，地貌類型以平原為主。區(qū)域面積約為17489平方公里。其中蘇州面積最大，為8488平方公里。研究區(qū)地理位置優(yōu)越，自古以來就是我國的江南魚米之鄉(xiāng)地區(qū)REF_Ref3339\w\h[24]。位于我國亞熱帶向溫帶過渡的東部季風(fēng)區(qū)域，由于季風(fēng)的影響，冬夏氣溫跨度比較大，降水也存在著很大差異，整體氣候條件跟我國其他地區(qū)相比的話還算比較良好，加上有在我國排面積名第三的淡水湖太湖的存在及長江穿過，區(qū)域水熱資源比較豐富。蘇錫常的森林資源比較少，主要分布在太湖周圍及區(qū)域南端的低平丘陵地帶。這主要跟區(qū)域的地貌類型和氣候條件及當?shù)氐南嚓P(guān)政策有關(guān)。研究區(qū)域在江蘇的地理位置如圖2.1所示：圖2.1蘇錫常在江蘇的位置2.2社會經(jīng)濟環(huán)境概況蘇錫常都市圈經(jīng)濟發(fā)展水平較高，蘇錫常2017年國民生產(chǎn)總值為34449.73億元，較2016年增長3435.64億元，區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展以第二第三產(chǎn)業(yè)為主，第一產(chǎn)業(yè)為輔。2017年三市常住人口2195.39萬人，其中城鎮(zhèn)人口1646.55萬人，約占常住人口的75%。由于地處我國東部發(fā)達地區(qū)，交通條件優(yōu)越，靠近東部沿海地區(qū)交通更為便利更發(fā)達的地區(qū)對其起到的帶動作用比較強，蘇錫常城市化發(fā)展進程較快，區(qū)域經(jīng)濟狀況良好，隨著城市化進程不斷發(fā)展推進，經(jīng)濟發(fā)展的重心逐漸從農(nóng)業(yè)向工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，城市建設(shè)用地面積也在逐漸擴大，各種各樣的開發(fā)區(qū)、高新工業(yè)園區(qū)等逐漸成為新的城市發(fā)展建設(shè)用地的主要方面。在城市發(fā)展的過程中，土地利用的不合理，為了獲取更大的經(jīng)濟效益，減少耕地面積，強行將更適宜耕作的土地用作工業(yè)生產(chǎn)，盲目擴大工業(yè)區(qū)的面積，甚至有些工業(yè)園區(qū)建成之后并沒有投入使用，導(dǎo)致耕地被破壞，土地資源遭到浪費REF_Ref3956\w\h[25]。隨著未來區(qū)域經(jīng)濟、社會繼續(xù)高速發(fā)展，另外國家提出的的長江三角洲城市群建設(shè)也在推動蘇錫常更快更好的向城市化水平更高的方向發(fā)展，城市化建設(shè)所需的城市建設(shè)用地面積仍會不斷增加，由此會導(dǎo)致有限的土地資源和不斷增長的城市建設(shè)發(fā)展的用地需求之間的矛盾加劇。選擇更合適的區(qū)域發(fā)展土地利用方式，保證各種土地利用類型的合理，減少土地的閑置和土地資源的浪費，減少土地利用時對環(huán)境造成的污染，獲得更加合理的土地利用模式，一方面既能滿足區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的需求，又能保證區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，就成了蘇錫常土地利用需要考慮的主要問題。2.3數(shù)據(jù)來源及介紹影響土地利用分布和變化的因素包括自然條件因素和由人類的經(jīng)濟社會活動產(chǎn)生的影響因素。根據(jù)蘇錫常的區(qū)域概況及能獲取到的數(shù)據(jù)情況，選取的驅(qū)動因子數(shù)據(jù)包括：1.蘇錫常地區(qū)高程、坡度及坡向數(shù)據(jù)，坡度和坡向是通過Arcgis軟件對Dem數(shù)據(jù)進行處理操作得到的REF_Ref30245\w\h[26]，Dem高程數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；2.交通因子數(shù)據(jù)REF_Ref4276\w\h[27]：某地塊距離道路的距離遠近程度可以影響該地區(qū)的通達程度，交通條件優(yōu)越可以吸引城市建設(shè)發(fā)展，從而影響土地利用模式，由于可獲取的數(shù)據(jù)較少，所以僅選擇鐵路數(shù)據(jù)作為交通方面的驅(qū)動因子，數(shù)據(jù)來源于全國矢量數(shù)據(jù)用Arcgis計算其歐氏距離后作為驅(qū)動因子數(shù)據(jù)；除了距離鐵路的距離之外，距離城市中心的距離遠近同樣可以影響到各個地區(qū)的土地利用狀況，距離城市中心近的區(qū)域其經(jīng)濟發(fā)展水平較高，對于城市建設(shè)發(fā)展工程有著更大的吸引作用，所以選擇距離蘇州無錫常州三個城市中心的距離作為一個驅(qū)動因子。3.自然類因子:氣溫和降水在一定程度上會影響區(qū)域的土地利用方式，會影響土地是作為耕地還是工業(yè)城市化建設(shè)用地的情況，最簡單的情況，水熱條件良好的適耕型土地作為耕地是一種很好的選擇。所以將氣溫和降水也作為模型模擬是需要考慮到的因子之一。氣溫和降水量數(shù)據(jù)同樣來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；4.人文類因子：GDP跟人口密度，高GDP區(qū)域會吸引城市發(fā)展用地建設(shè)、增加城市發(fā)展的速度，可能會導(dǎo)致該區(qū)域附近地區(qū)土地利用模式從其他類型向城市建設(shè)用地發(fā)展，同樣人口密集程度高的地區(qū)能吸引城市化的發(fā)展集中于此，所以GDP和人口密度也會對土地利用方式產(chǎn)生一定的影響，數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。由于可獲取的數(shù)據(jù)有限，所以僅選擇以上九種作為本次研究的驅(qū)動因子。各類驅(qū)動因子數(shù)據(jù)如圖所示：本文用到的1995年、2005年、2015年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來自于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的江蘇省土地利用數(shù)據(jù)，將其裁剪之后得到蘇錫常地區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)。然后根據(jù)需求，同時為了降低模擬時操作的復(fù)雜程度，將土地利用類型經(jīng)過重分類轉(zhuǎn)換成六類：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地及未利用土地六大類。所有數(shù)據(jù)在進行模擬之前要進行預(yù)處理，把所有數(shù)據(jù)的坐標系改成一樣的，保證各個因子及土地利用數(shù)據(jù)的柵格行列數(shù)是一樣的。本文各個數(shù)據(jù)的行列數(shù)為142和206，本文實驗用到的所有數(shù)據(jù)的分辨率為1000米。第三章研究內(nèi)容與研究方法3.1研究內(nèi)容本文主要研究內(nèi)容有：1.1995年到2015年期間的土地利用演變情況，根據(jù)獲取到的三年的土地利用數(shù)據(jù)，在空間上和象元數(shù)量上對土地利用變化情況進行分析，得出1995年到2015年期間蘇錫常地區(qū)土地利用變化的方向及規(guī)律；2.以獲取到的各類因子數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用FLUS模型模擬2025年蘇錫常地區(qū)土地利用預(yù)測數(shù)據(jù)，然后對獲取到的2015年的預(yù)測數(shù)據(jù)進行精度驗證，在精度驗證達到標準的前提下，對2025年土地利用模擬數(shù)據(jù)進行分析。3.2研究方法3.2.1FLUS模型介紹FLUS模型是基于CA模型和Markov模型，并在這兩個模型的基礎(chǔ)上做了進一步地改進得到的一種新的模型。其工作原理是首先將土地利用數(shù)據(jù)和人類的社會經(jīng)濟活動和自然環(huán)境效應(yīng)的影響，即上文中提到的各種因子數(shù)據(jù)導(dǎo)入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具中，從而得到不同土地利用類型在研究區(qū)域內(nèi)的不同位置適宜性概率文件。然后，在FLUS模型中拿類似于輪盤賭模式的、模擬結(jié)果具有隨機特點的模型來模擬實現(xiàn)不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換變化，預(yù)測將來某個時間在空間上不同地塊的土地利用模式REF_Ref4404\w\h[28]。該模型能夠反映現(xiàn)實環(huán)境下由于環(huán)境條件和其他因素的影響，土地利用模式變化的不確定性，能夠很清晰地體現(xiàn)出不同土地利用類型之間存在著競爭關(guān)系的特點和土地利用變化轉(zhuǎn)變的復(fù)雜性，從而使得FLUS模型在模擬將來土地利用變化情境時具有較高的精度，能夠更準確地模擬土地利用的變化，導(dǎo)致其結(jié)果有著較高的可信度。FLUS除了提供在空間上可以模擬土地利用的變化之外，其還可以模擬該區(qū)域六類土地利用類型在未來時間內(nèi)數(shù)量上象元數(shù)的變化，工作原理是根據(jù)已知的兩期土地利用數(shù)據(jù)的象元數(shù)推算出未來時間該區(qū)域的土地利用象元數(shù)變化。FLUS模型還提供驗證的功能，即通過選擇歷史時期的土地利用數(shù)據(jù)使用同樣的操作方法模擬出當下的土地利用預(yù)測量，然后同當下真實土地利用數(shù)據(jù)進行對比，通過精度驗證可以保證模擬得到的未來土地利用預(yù)測數(shù)據(jù)的可信度，精度驗證越高，得到的土地利用預(yù)測數(shù)據(jù)可信度就越高。3.2.2FLUS模型工作原理首先，F(xiàn)LUS模型根據(jù)不同因子數(shù)據(jù)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來獲取不同土地利用類型可能出現(xiàn)的及空間分布概率。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊共分為三層：輸入層，隱藏層和輸出層REF_Ref5723\w\h[29]。其模擬過程公式是：其中，g（b,f,c）表示在t時刻時柵格b出現(xiàn)f類土地利用類型的概率，me,f是隱藏層跟輸出層之間的權(quán)重，sigmiod(nete(b，c))是連接著隱藏層和輸出層之間的函數(shù)，其中(nete(b,c)指的是在隱藏時間c跳到第e次時柵格b發(fā)出并由e接收的信號。柵格b中所有土地利用模式的概率和為1，即：由于FLUS模型的自適應(yīng)慣性競爭機制，各類土地利用類型的慣性系數(shù)是由已有的土地利用數(shù)目與預(yù)想的土地利用數(shù)目之間的差異決定的，在運行的迭代過程中還可以進行自適應(yīng)調(diào)整，是土地利用數(shù)據(jù)像預(yù)設(shè)目標變化發(fā)展。第f種土利用類型在x時刻的自適應(yīng)慣性系數(shù)為：While|Rfx-2|≤|Rfx-1|WhileRfx-1<Rfx-2<0WhileRfx-1>Rfx-2>0其中Rfx-1、Rfx-2為第f種土地利用類型在時間為t-1、t-2時實際柵格數(shù)與需求量之間的差值。接著使用CA模型通過一連串的迭代過程得到最終的結(jié)果，把不同的土地利用類型分配到區(qū)域內(nèi)。原始柵格b上原始a類土地利用類型在x時刻變成f類土地利用類型的概率P為：其中，costa→f為原始土地利用類型在轉(zhuǎn)變成其他類土地利用類型時需要克服的阻力大小，表示發(fā)生變化的難易程度，越接近于1表示轉(zhuǎn)變越簡單，接近于0則表示土地利用類型的轉(zhuǎn)變困難度很大。Ωxb,f起到的是鄰域的作用，計算公式是：，其中分子上的求和公式表示上一次迭代公式計算結(jié)束后第f類土地利用類型的柵格數(shù)，本次模擬實驗中N取值是3，wf表示的是f類土地利用類型的鄰域權(quán)重。第四章土地利用演變分析和土地利用模擬4.1土地利用演變分析土地利用的變化可以從面積和空間上來分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以直觀的反映地區(qū)在發(fā)展的過程中土地利用變化的趨向，對獲取到的1995,2005,2015年的蘇錫常的土地利用數(shù)據(jù)進行重分類處理過后，統(tǒng)計不同土地利用類型的面積然后對其進行計算分析，得到的各類土地利用類型面積數(shù)據(jù)結(jié)果如下：表4.1各年不同地類占地面積土地類型耕地林地草地水域城鄉(xiāng)工礦居民用地未利用土地1995年土地面積（單位：平方千米）99589724145042104112005年土地面積（單位：平方千米）89819574146362963122015年土地面積（單位：平方千米）8111948894567386510通過對1995年、2005年、2015年的土地利用面積數(shù)據(jù)對比分析，可以看出1995～2015年間，隨之而時間不斷變化，不同土地利用類型的占地面積都有不同的變化。其中，耕地面積大量減少，由1995年的9958平方千米減少到2015年的8111平方千米，減少了1847平方千米；與之相對應(yīng)的相對增加量最大的是城鄉(xiāng)工礦居民用地，增加量為1761平方千米，水域面積在1995年～2005年增加，增加量為132平方千米，2005年～2015年間期有所減少，減少面積為69平方千米，草地在2005年2015年間增加了48平方千米，之前并沒有變化，主要原因是城市發(fā)展初期工作重心主要在經(jīng)濟建設(shè)上，對于環(huán)保方面的關(guān)注不高，進入21世紀以來，人們對于越來越重視生活水平及環(huán)境質(zhì)量，可持續(xù)發(fā)展以及全國大范圍內(nèi)綠色城市的建設(shè)和評比活動，政府部門增加了對綠化的重視程度，很多公園以及綠地建設(shè)起來，導(dǎo)致了草地面積的增加，林地面積的減少幅度不大，未利用土地面積幾乎沒有什么變化，同時該區(qū)域閑置土地面積較小。從整體上來看，蘇錫常除了較大范圍的水域面積之外，土地利用類型主要為耕地、城鄉(xiāng)工礦居民用地，作為我國長江中下游的魚米之鄉(xiāng)區(qū)域，其土地利用類型以更低分布最為廣泛，但是從經(jīng)濟上來看，耕地、林地、水域作為該區(qū)域面積最大的幾種類型，其2017年的第一產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值僅為514.26億元，由此可以得出區(qū)域耕地類型利用方式可能存在問題，可能存在著閑置耕地或者種植農(nóng)作物類型不正確等問題。城鄉(xiāng)居民工礦用地的日趨增加表明了該研究區(qū)城市化發(fā)展的速度比較快，并且在逐漸吸引周圍其他利用模式的土地向城市建設(shè)用地轉(zhuǎn)變，當下迫在眉睫急需解決的環(huán)境問題以及生活水平的提高使人們逐漸開始向往綠色生活，生態(tài)城市的建設(shè)活動推進，都使得在城市化發(fā)展的同時城市綠地面積會不斷增加，水域面積的減少和水體污染面積擴大增加了人們的危機感，政府部門也開始規(guī)劃圍繞著太湖建設(shè)防護林用來保護水體。從土地利用現(xiàn)狀圖中來看，林地主要位于研究區(qū)西部和西南邊緣地帶，面積較小，主要分布地區(qū)為丘陵地帶以及太湖沿岸地區(qū)，水域主要為南部太湖及北部區(qū)域，耕地分布最為廣泛，幾乎在整個區(qū)域內(nèi)都有它的存在，變化最為明顯的是耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地兩種類型，對比三次土地利用現(xiàn)狀圖的變化來看，可以明顯的看到城鄉(xiāng)工礦居民用地的擴大和耕地面積的回縮，兩者幾乎是相對應(yīng)的，城鄉(xiāng)工礦居民工地擴展到的區(qū)域幾乎之前全部都是耕地的存在，林地開始逐漸出現(xiàn)在太湖沿岸區(qū)域,這是政府部門為了保護稀缺的林地資源發(fā)展規(guī)劃了更多的防護林和植物保護區(qū)等建設(shè)區(qū)域。土地利用現(xiàn)狀圖見圖4.1-4.3圖4.11995年土地利用現(xiàn)狀圖圖4.22005年土地利用現(xiàn)狀圖圖4.32015年土地利用現(xiàn)狀圖4.2模擬過程首先將經(jīng)過預(yù)處理，即經(jīng)過重分類一系列操作后的的2015年的土地利用數(shù)據(jù)及驅(qū)動因子數(shù)據(jù)添加到ANN模型中獲取不同土地利用類型的適宜性概率文件，接著將得到概率性文件和實際土地利用數(shù)據(jù)添加到CA模型中，設(shè)定迭代數(shù)為300，運行得到2025年的土地利用預(yù)測數(shù)據(jù)。另一方面使用Markov模型分別利用1995,2005,2015年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)獲取2015年、2025年的預(yù)測象元數(shù)量，通過2015年實際象元數(shù)和預(yù)測象元數(shù)的對比，判斷兩種數(shù)據(jù)之間的差異范圍及大小，可以驗證獲取到的2015年的數(shù)據(jù)準確程度。CA模型用來統(tǒng)計空間上的變化，Markov用來統(tǒng)計數(shù)量上即象元數(shù)的變化，2015年的實際和預(yù)測象元數(shù)接近程度越高，表示由Markov獲取到的2025年的土地利用數(shù)據(jù)可信程度越高，表明本次模擬的結(jié)果可以作為2025年土地利用模式的參考數(shù)據(jù)。最后進行精度驗證，本次模擬使用kappa系數(shù)進行精度驗證，在驗證時需要導(dǎo)入2015年的實際土地利用數(shù)據(jù)及模擬的數(shù)據(jù)，選擇隨機采樣的方式，每種土地利用類型隨機選擇10%的象元數(shù)進行計算得到kappa指數(shù)。4.3鄰域參數(shù)及成本矩陣的設(shè)定參數(shù)的設(shè)定需要考慮到區(qū)域?qū)嶋H情況以及區(qū)域的政策等問題?？紤]到蘇錫常地區(qū)水體部分主要是太湖和區(qū)域北部的長江流域，而近些年太湖面積變化沒有很大，所以將水域的鄰域參數(shù)設(shè)置為0.3，蘇錫常的森林部分在全部土地利用類型里占比很少，近年為了保護森林資源和濕地，政府部門還計劃增加新的自然保護區(qū)，蘇錫常的農(nóng)業(yè)作為地區(qū)主要產(chǎn)業(yè)，在研究區(qū)也有著很重要的地位，所以將耕地和林地的權(quán)重分別設(shè)為0.5和0.6，由于城市化進程的不斷推進，城市建設(shè)用地面積應(yīng)該在一定程度上不斷增加，已有的城鎮(zhèn)居民用地轉(zhuǎn)變成其他類型用地的可能性較小，所以將城鄉(xiāng)工礦居民用地設(shè)為0.5。蘇錫常城市化水平已經(jīng)發(fā)展到一定階段，草地一般作為綠化作用，故將草地的權(quán)重參數(shù)設(shè)為0.7。鄰域參數(shù)表如表4.1：表4.1鄰域參數(shù)表土地類型耕地林地草地水域城鄉(xiāng)工礦居民用地未利用土地權(quán)重參數(shù)0.50.60.70.30.51在設(shè)定成本矩陣的時候，考慮到研究區(qū)實際情況及現(xiàn)實因素，草地在城市中的主要存在方式是城市綠化帶，綠化帶的的建設(shè)可能會占用一部分的城市建設(shè)用地，所以把城鄉(xiāng)工礦居民用地設(shè)置為變化時除其本身之外只可以變成草地利用方式；考慮到政府部門在農(nóng)業(yè)部門退耕還林政策，將耕地變化時的范圍設(shè)置在林地跟城鄉(xiāng)工礦居民用地之中。由于水資源在蘇錫常內(nèi)甚至于在整個江蘇省對于農(nóng)業(yè)耕作都有著很重要的作用，水體部分向其他類型轉(zhuǎn)移時代困難度很大，且其區(qū)域內(nèi)主要水體太湖面積近些年基本沒有很大變化，所以在設(shè)置水資源將其設(shè)置為不可以向其他土地利用類型變化。未利用土地變成其他類相對比較容易一些，所以設(shè)置為默認值1。當土地類型為草地時，由于研究區(qū)并沒有大型草場的存在，草地類型多為綠化用地，所以將草地利用類型設(shè)置成可轉(zhuǎn)變成城市用地和未利用土地兩種類型。矩陣中城鎮(zhèn)矩陣即為城工礦居民用地類型。成本矩陣設(shè)置值見表4.2：表4.2成本矩陣耕地林地草地水域城鎮(zhèn)用地未利用土地耕地100000林地110000草地001011水域000100城鎮(zhèn)用地111011未利用土地0010014.4模擬結(jié)果FLUS模型模擬得到的2025年的土地利用類型分布如圖所示，由數(shù)據(jù)結(jié)果可以得到不同地類的分布范圍及面積大小，2025年的土地利用分布模擬圖及各類土地面積如下：圖4.42025年土地利用模擬圖表4.3各類土地利用面積表土地類型耕地林地草地水域城鄉(xiāng)工礦居民用地未利用土地面積（單位：平方千米）7331939130449846848從數(shù)據(jù)中可以看到，到2025年，城鄉(xiāng)工礦居民用地占地面積將會繼續(xù)增加，將會達到4684平方千米，比2015年擴大了819平方千米，耕地面積為7331平方千米，與2015年相比減少了780平方千米，水域面積為4584平方千米，減少量為86平方千米，林地面積為939平方千米，有所減少，草地面積為130平方千米，草地面積在擴大，未利用土地面積為8平方千米，這與2015年相比，變化面積范圍并沒有很大，僅有很小的變化。從空間上來看，蘇錫常城鄉(xiāng)工礦居民用地的用地范圍在不斷擴展，逐漸從中部三個市的中心部分向外擴展，擴展范圍具有不連續(xù)性。耕地跟水域在該區(qū)域仍然占據(jù)著主要部分，另外耕地面積減少跟城市化工業(yè)用地面積增加的量幾乎一致。區(qū)域內(nèi)變化最大的仍然是耕地跟城鄉(xiāng)工礦居民用地，兩者呈相對的趨勢，可以判斷出在城市化建設(shè)過程中，在進一步發(fā)展城市化的過程中對耕地面積的影響是非常大的。精度驗證得到的kappa總體精度系數(shù)為0.92，根據(jù)kappa指數(shù)在0.80～1之間表示數(shù)據(jù)可參考性極強，與實際情況幾乎完全相同，在0.60～0.80之間是獲取到的數(shù)據(jù)有較高的可信度，同實際數(shù)據(jù)的一致性相對比較高，在0.40～0.60之間，則表示得到的數(shù)據(jù)只有部分和實際情況一致，在沒有其他可獲取數(shù)據(jù)的情況下可以作為參考使用，kappa系數(shù)在0.4以下時實際數(shù)據(jù)同模擬數(shù)據(jù)的相似度不高，這時數(shù)據(jù)的參考價值不大，不便于作為實驗結(jié)果使用REF_Ref5302\w\h[30]。說明本次模擬得到的結(jié)果可信程度高，可以比較準確的推斷出土地利用變化規(guī)律，得到的2025年的模擬數(shù)據(jù)可以作為將來土地利用變化的參考，結(jié)果有很高的參考價值。同時也證明FLUS模型在做土地利用變化模擬時準確度較高，該模型各個方面都比較完備，可以用作土地利用變化模擬。第五章結(jié)果與討論5.1結(jié)論針對蘇錫常研究區(qū)域，本文進行了對1995年～2015年三期土地利用數(shù)據(jù)的分析，對土地利用不同類型的變化量，變化范圍進行了分析，并用FLUS模型對土地利用及驅(qū)動因子數(shù)據(jù)進行處理，得到了2025年的土地利用預(yù)測數(shù)據(jù)。對整個研究分析得到的結(jié)論有如下幾點：對1995年～2015年三期期間土地利用現(xiàn)狀圖及面積進行分析，可以得到這20年期間土地利用模式在空間及分布范圍上有很著大的變化，可以看出，2005年到2015年城市化發(fā)展水平比2005年之前的速度要跟高，整個時間段內(nèi)其區(qū)域占地面積都有很大的增長，耕地是該區(qū)域減少量最大，速度最快的一種類型，隨著經(jīng)濟和城市化不斷發(fā)展，越來越多的耕地向建設(shè)用地方向轉(zhuǎn)變。由于發(fā)展過程中對于水體的保護程度不高，水體面積變化非常不穩(wěn)定，林地則是呈現(xiàn)出逐年減少的態(tài)勢，但是減少量不大，草地面積在2005年之后有了突然的變化，由此可以推斷出隨著居民生活水平的提高，人們開始關(guān)注精神層面的滿足，為了響應(yīng)綠色城市、生態(tài)城市的建設(shè)，研究區(qū)內(nèi)開始出現(xiàn)越來越多的綠化及公園，極大地增加了綠地面積。通過對土地利用數(shù)據(jù)和驅(qū)動因子數(shù)據(jù)的分析，得到不同土地利用類型的適宜性概率文件，可以看出，林地適宜性最高的地方基本位于研究區(qū)邊緣地帶，地貌類型多為丘陵的地區(qū)。研究區(qū)域內(nèi)適合用作耕地的分布范圍最廣，幾乎區(qū)域內(nèi)除水域面積都可以用作耕地使用，這也正是蘇錫常被稱作長江中下游地區(qū)的魚米之鄉(xiāng)的原因，最適宜耕作的地區(qū)多位于水資源比較豐富的地帶，比如北部長江沿岸和太湖沿岸地區(qū)等。城市建設(shè)用地的適宜地區(qū)多在三個城市的中心地帶，適宜性概率呈現(xiàn)出沿中心地帶向外逐漸減弱的趨勢。使用FLUS模型模擬出研究區(qū)域2025年的土地利用分布格局圖，根據(jù)模得到的數(shù)據(jù)，2015～2025年蘇錫常地區(qū)的耕地面積將持續(xù)減少，城市建設(shè)用地面積大幅增加，耕地主要向建設(shè)用地改變，水域面積和林地面積有所減少，草地面積增加，未利用土地面積變化不大；另外通過將1995年和2005年的土地利用數(shù)據(jù)模擬出的2015年的數(shù)據(jù)同實際情況下的土地利用柵格數(shù)據(jù)進行kappa精度驗證得到的結(jié)果為0.92，表明從CA和Markov模型改進的到的FLUS模型在進行土地利用模擬時準確度很高，模擬結(jié)果有很高的參考價值，基本與實際情況一致。5.2對蘇錫常地區(qū)土地利用的建議在城市化發(fā)展的進程中，其他利用類型的土地向城市建設(shè)用地轉(zhuǎn)變時，不應(yīng)該忽視其他土地利用類型的重要性，應(yīng)該增加對其他土地利用類型的保護程度，作為我國長江中下游的魚米之鄉(xiāng)，農(nóng)業(yè)是研究區(qū)內(nèi)第一產(chǎn)業(yè)主要的生產(chǎn)方式，耕地作為很重要的土地資源，在城市化的進程中面積和范圍不斷減小，應(yīng)該引起人們的關(guān)注。在城市建設(shè)和發(fā)展的過程中，應(yīng)該注意耕地資源的保護以及轉(zhuǎn)變成城市建設(shè)用地時應(yīng)該多關(guān)注用地模式，盡量避免建設(shè)之后又被閑置的情況，比如出現(xiàn)規(guī)劃建成的大樓無人入住的情況。應(yīng)當多注重各種土地利用類型之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證各類土地利用類型都能發(fā)揮其應(yīng)有的價值。應(yīng)該多增加林地以及草地的建設(shè)面積，從數(shù)據(jù)中可以得出，蘇錫常范圍內(nèi)林地和草地面積較少，分布區(qū)域也比較集中，多發(fā)展林地和草地建設(shè)，可以增加城市的適居性，保護存在的林地資源和稀缺的樹木資源，豐富該區(qū)域的生物量。加強對水體的保護，在城市化發(fā)展初期，該區(qū)域水體范圍內(nèi)產(chǎn)生了不同程度的污染以及破壞情況，使得水域面積減少，水資源作為人類賴以生存的基礎(chǔ)，其重要程度不言而喻，加強對水體的保護，不僅可以保護當?shù)氐乃Y源，而且在一定程度上對農(nóng)業(yè)的發(fā)展也起到幫助作用，還能夠改善環(huán)境，太湖作為觀光旅游勝地，其環(huán)境質(zhì)量的變好，可以提高蘇錫常地區(qū)旅游觀光人數(shù)，提高旅游業(yè)經(jīng)濟收入。土地資源是人類發(fā)展的基礎(chǔ)，在工業(yè)化城市化不斷推進的過程中，應(yīng)當處理好各種土地利用類型之間、有限的土地資源和持續(xù)增長的需求之間的矛盾，減少在發(fā)展過程中出現(xiàn)布局不合理、利用效率低的情況。還應(yīng)該加強土地的整治力度，對于不合理的土地利用模式進行重新規(guī)劃建設(shè)改造，對于受到破壞的耕地林地草地資源進行生態(tài)恢復(fù)的工作，不能恢復(fù)的則考慮更加合適的利用模式進行轉(zhuǎn)變。除此之外，政府部門應(yīng)該加強對土地的監(jiān)管力度，避免出現(xiàn)違規(guī)使用土地及破壞土地的情況。5.3不足與展望5.3.1研究的不足之處1.本文選取數(shù)據(jù)的分辨率較大，在進行土地利用重分類時只分了六個大類，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計和模擬過程中可能造成了一定量誤差的產(chǎn)生，2.由于可獲取的數(shù)據(jù)數(shù)量有限，所以本文考慮的驅(qū)動因子數(shù)目較少，在土地利用變化模擬時考慮到的因素較少，存在誤差的可能性也比較大，整體情況來看數(shù)據(jù)結(jié)果還算滿意，可以作為2025年土地利用數(shù)據(jù)的參考。5.3.2研究展望本文選擇的數(shù)據(jù)分辨率為1000米，為中分辨率類型，模擬結(jié)果準確度較高，在以后的研究中可以選擇更高分辨率的數(shù)據(jù)，精進研究成果，進一步提高研究的精確度；本此模擬將土地類型分為六大類，在之后的研究中可以將土地利用類型細化，這樣可以提高土地利用變化模擬的精度，獲得更準確的結(jié)果；在蘇錫常城市化水平不斷向前發(fā)展的過程中，城市化受到各種因素的影響，其中還應(yīng)包含政府部門下達的規(guī)劃、政策等因素的影響，所以土地利用的變化應(yīng)該有更高的復(fù)雜程度，在之后的研究中可以將各種重要的因子加入到模擬中去，可以使得模擬結(jié)果更加貼合實際情況，獲得更滿意的效果。蘇錫常城市一體化的發(fā)展，提高了蘇錫常在江蘇省的地位，使蘇錫常在經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了很重要的作用，其本身作為我國東部長江中下游地區(qū)，發(fā)展機遇要比我國西部偏遠落后地區(qū)快，在今后城市化的發(fā)展過程中，提高土地利用效率，使得有限的土地資源發(fā)揮出更大的作用，對提高當?shù)亟?jīng)濟水平，提升區(qū)域競爭力都有很大的幫助。致謝首先感謝中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供的土地利用數(shù)據(jù)及部分因子數(shù)據(jù)，然后感謝王旭導(dǎo)師為我提供論文題目及框架，感謝薛進、馬伯文師兄在我寫畢業(yè)論文期間提供的幫助。參考文獻劉瑞卿.基于CA-Markov模型的懷來縣土地利用景觀格局動態(tài)模擬研究[D].河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.黃大全,黃靜.CLUE-S模型應(yīng)用與研究進展[J].亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報,2017,12(03):77-87.黃翠微.沙坪壩區(qū)農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)問題研究[D].重慶大學(xué),2008.肖蕾.基于CA-Markov模型的撫仙湖流域土地利用變化情景模擬[D].昆明理工大學(xué),2017.劉俊宏.基于CLUE-S模型的南昌市土地利用變化情景模擬[D].江西師范大學(xué),201